Le celle a combustibile a ossidi solidi forniscono energia di riserva per applicazioni ibride su piccola scala

La Watt Remote SOFC è progettata per essere integrata con una soluzione di accumulo di energia/energia solare. (Foto: Watt Fuel Cell)

L'alimentazione di backup si rivolge a una vasta gamma di applicazioni, dal residenziale all'industriale. Per quanto riguarda quest'ultima, gruppi elettrogeni e sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) sono attualmente in competizione. Molti produttori di BESS sono riusciti a scalare i propri sistemi per fornire la potenza di diversi megawatt che in precedenza poteva essere fornita solo da grandi gruppi elettrogeni industriali.

I gruppi elettrogeni vengono utilizzati in modo analogo in una nicchia di mercato che potrebbe essere definita commerciale. Queste applicazioni richiedono in genere un'alimentazione di emergenza affidabile, ma non richiedono la quantità di potenza necessaria in contesti industriali.

Le celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) competono con i gruppi elettrogeni nelle applicazioni commerciali più piccole.

Danielle Ramaley, vicepresidente vendite e marketing di Watt Fuel Cell, produttore di SOFC con sede a Mount Pleasant, Pennsylvania, ha affermato che il modo più semplice per descrivere una SOFC è pensare a una batteria.

"È lo stesso tipo di dispositivo elettrochimico, in cui si hanno un anodo, un catodo [e] un elettrolita. Ma invece di immagazzinare energia, una SOFC può crearla finché si ha a disposizione una fonte di combustibile."

Ha affermato che una SOFC converte chimicamente il combustibile (principalmente il gas naturale) in elettricità a corrente continua.

"È tutto catalitico, niente combustione", ha affermato Ramaley, aggiungendo che i vantaggi includono un rumore molto basso "perché non si hanno le apparecchiature rotanti di un processo tradizionale basato sulla combustione" ed emissioni significativamente ridotte.

"Nessun NOx (ossidi di azoto), nessun SOx (ossidi di zolfo), nessun particolato", ha affermato.

Fonti di combustibile gassoso

Sebbene le SOFC di Watt utilizzino principalmente gas naturale, Ramaley ha affermato che possono utilizzare anche il propano.

"In alcuni dei nostri progetti, possiamo miscelare l'idrogeno con uno qualsiasi di questi combustibili, fino a circa il 20% di idrogeno miscelato", ha affermato Ramaley. "Ma Watt si è concentrata su combustibili facilmente reperibili in commercio e facili da reperire".

Ha aggiunto che molte applicazioni remote sono a propano, così come quelle per camper. Quando viene utilizzato in applicazioni residenziali, il combustibile preferito tende a essere il gas naturale, ha affermato Ramaley.

Applicazioni su piccola scala

"Direi che dal punto di vista del mercato, Watt si concentra sull'energia su piccola scala e in realtà ci rivolgiamo a tre mercati diversi", ha affermato Ramaley.

Due di questi sono l'energia residenziale, che può essere primaria o di riserva, e le applicazioni ricreative, come quelle dei veicoli ricreazionali (RV). Il terzo mercato è quello delle applicazioni di energia remota, in cui le SOFC di Watt operano tipicamente in sinergia con altre tecnologie di generazione e accumulo di energia, comprese le batterie, ha affermato Ramaley.

La batteria SOFC Watt Nomad è progettata per il mercato dei veicoli ricreazionali, uno dei mercati chiave per Watt Fuel Cell. (Foto: Watt Fuel Cell)

"Costituiamo davvero un ottimo sistema energetico, particolarmente adatto a quei tipi di applicazioni che sono, tipo, 'Sono nel bel mezzo del nulla e ho bisogno di energia affidabile, resiliente e pulita'", ha affermato. "Quando si abbina l'energia solare a una batteria e a una cella a combustibile [a ossidi solidi], quando l'energia solare non è in funzione, la cella a combustibile è sempre presente, in grado di funzionare e funzionare quando serve".

Ramaley ha affermato che altre applicazioni includono la protezione di apparecchiature remote, come le teste dei pozzi di petrolio e gas, nonché alcuni usi più esclusivi della tecnologia.

"Quando penso ad alcune delle applicazioni industriali [e] commerciali su cui ci stiamo concentrando con i nostri partner rivenditori, mi vengono in mente aspetti come la sicurezza e la sorveglianza a distanza", ha affermato. "Abbiamo un cliente che si concentra su software di riconoscimento facciale. Hanno un contratto per gli avvisi Amber, ovvero le persone scomparse."

Tecnologia unica

Ramaley ha affermato che la tecnologia SOFC di Watt è unica rispetto alle tecnologie della concorrenza, che ha descritto come SOFC "planari".

"Le celle a combustibile hanno più o meno le dimensioni di un sottobicchiere, o di un post-it", ha detto riferendosi alle SOFC planari. "Queste celle a combustibile sono impilate in una serie di pile, come un mazzo di carte. Le nostre celle a combustibile sono microtubolari, quindi hanno più o meno le dimensioni di una penna. Sono disposte in una pila di celle una accanto all'altra."

Secondo Ramaley, la geometria e la configurazione tubolare rendono le batterie SOFC di Watts particolarmente adatte al ciclo termico e al monitoraggio del carico, oltre a potersi accendere e spegnere più volte.

"Tradizionalmente, la tecnologia SOFC planare non ama essere ciclata", ha affermato. "Preferisce essere accesa e funzionare a una potenza costante. Ma le celle a combustibile microtubolari funzionano molto bene con i cicli, e la nostra tecnologia è costruita proprio su questi cicli. Quindi, concentrandoci sulle applicazioni commerciali e industriali o sulle applicazioni di alimentazione a distanza, siamo una tecnologia eccellente per questa esigenza di ciclizzazione."

Un piccolo ingombro

A differenza dei gruppi elettrogeni tradizionali, compresi molti di quelli portatili, le SOFC di Watt possono letteralmente stare su un bancone.

"La nostra unità ha all'incirca le dimensioni di un microonde domestico da appoggiare sul tavolo", ha detto Ramaley. "È relativamente piccola: poco più di 60 cm, poi 60 cm di larghezza, e poi circa poco più di 30 cm per lato."

Ha aggiunto che l'ingombro rimane lo stesso indipendentemente dalla potenza erogata. "Abbiamo un sistema da circa 500 Watt e un sistema da 1,5 kW."

Ramaley ha affermato che la potenza media in uscita per uso residenziale negli Stati Uniti è di circa 1,2 kW, che può soddisfare costantemente il carico di base medio di un'abitazione se abbinata all'accumulo di energia.

"In pratica, puoi coprire i picchi e avere un'alimentazione di riserva pulita ogni volta che ne hai bisogno", ha affermato.

Riduzione del consumo di carburante, manutenzione

Ramaley ha affermato che le SOFC utilizzate come riserva di energia per un impianto solare che altrimenti farebbe affidamento su un gruppo elettrogeno tradizionale, possono garantire un risparmio di carburante dal 60 al 90 percento.

"In alcuni casi, la cella a combustibile può rimanere ferma per giorni e giorni", ha affermato. "In alcuni casi, potrebbe essere sottoposta a cicli giornalieri, come in inverno. Quindi, avere una fonte di energia in grado di ridurre il consumo di carburante del 60-90% rispetto ai prodotti a combustione interna consente davvero a queste località remote di ridurre la manutenzione sul campo."

Un'ulteriore riduzione della manutenzione, oltre all'assenza di parti mobili, è la possibilità di monitorare l'SOFC tramite qualsiasi connessione Internet.

"Quindi, quando si tratta di applicazioni davvero remote per cui è necessario inviare una squadra di assistenza sul campo in uno scenario sperduto nel nulla, è possibile monitorare il funzionamento delle celle a combustibile da remoto, purché si abbia accesso a Internet, e vedere in tempo reale cosa succede con i livelli di accumulo di energia, i livelli della batteria, lo stato di carica, quanta energia solare si sta producendo e se la cella a combustibile sta funzionando."

Modulare e scalabile

Ramaley ha affermato che per applicazioni più grandi o che potrebbero occasionalmente richiedere più potenza di quella che una singola unità può fornire, le celle a combustibile sono modulari e scalabili.

"Utilizziamo la comunicazione CAN per collegare le nostre unità", ha affermato. "Possiamo collegare tra loro circa 10 unità, che possono comunicare in modo intelligente tra loro. Quindi, se non è necessario un elevato consumo energetico per un certo periodo di tempo, i sistemi si attiveranno in modo intelligente tra le unità, attivando e disattivando la prima unità, poi la seconda e la terza. Ma se fosse necessario che più unità si attivino contemporaneamente, sono in grado di farlo anche in questo caso".

Watt applica la tecnologia di stampa 3D per produrre SOFC

Watt Fuel Cell è orgogliosa di utilizzare la produzione 3D per la produzione delle sue celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC).

"È questo il motivo della fama di Watt", ha affermato Danielle Ramaley, vicepresidente vendite e marketing di Watt Fuel Cell, "e gran parte della nostra tecnologia proprietaria si basa sul modo in cui produciamo le nostre celle a combustibile tubolari".

Un robot automatizzato utilizzato nel processo di stampa 3D di Watt. (Foto: Watt Fuel Cell)

Ramaley ha affermato che le celle a combustibile tubolari come quelle prodotte da Watt vengono prodotte tramite un processo di estrusione.

"È come fare un pezzo di rigatoni", ha detto, riferendosi al tipo di pasta. "Si crea una pasta. La si estrude, e poi si passa attraverso diversi processi di stratificazione, di aggiunta di elettrolita e del catodo. È un processo molto iterativo e lungo."

Con questo processo di estrusione, ci vogliono circa 200 ore per realizzare una cella a combustibile tubolare, ha affermato Ramaley.

"Watt ha focalizzato lo sviluppo della tecnologia sull'economicità e sulla fattibilità su larga scala", ha affermato. "Quindi, ci siamo concentrati fin dall'inizio sulla stampa 3D. E ora abbiamo ridotto a soli quattro minuti un processo che tradizionalmente richiede circa 200 ore."

Oltre alla significativa riduzione dei tempi di produzione, Ramaley ha affermato che un altro vantaggio della tecnologia di stampa 3D di Watt è il livello di dettaglio che offre.

"In realtà, stampiamo a livello micrometrico, quindi stampiamo a un livello pari a circa la metà di un capello umano", ha affermato. "Questo ci permette di controllare non solo la qualità delle nostre celle a combustibile, ma anche il modo in cui vengono stampate e costruite."

Ramaley ha affermato che questo consente a Watt di progettare i suoi SOFC in modo da massimizzarne l'efficienza grazie al livello di dettaglio elevato, cosa impossibile con l'estrusione.

Processo di produzione di Watt rispetto al tradizionale processo di estrusione. (Immagine: Watt Fuel Cell)

"La nostra sede centrale è a Mount Pleasant, in Pennsylvania, appena fuori Pittsburgh, e abbiamo appena avviato una grande espansione", ha affermato Ramaley. "L'obiettivo di questa espansione era ampliare le nostre capacità di stampa 3D. Ora abbiamo la capacità di produrre tra le 1500 e le 2000 unità all'anno".

Watt può sfruttare la sua capacità di stampa 3D per produrre SOFC 24 ore su 24.

"Utilizziamo processi di stampa multipli con un braccio robotico e un'ispezione visiva QC (controllo qualità) robotica basata su computer", ha affermato Ramaley. "Siamo in grado di eliminare in una certa misura l'elemento umano da questo processo produttivo, il che ci garantisce un elevato livello di qualità e ripetibilità per produrre celle a combustibile tubolari di altissima qualità".

Generac acquisisce una partecipazione azionaria nella società di celle a combustibile Watt Fuel Cell Corp. specializzata in celle a combustibile a ossidi solidi per applicazioni residenziali e di altro tipo